直升機(jī)脂潤滑減速器關(guān)鍵技術(shù)探討

直升機(jī)脂潤滑減速器是利用航空潤滑脂替代傳統(tǒng)航空潤滑油的潤滑方式，確保減速器在不降低可靠性的前提下適當(dāng)減輕質(zhì)量，并提升直升機(jī)的生存能力，現(xiàn)已成為相關(guān)領(lǐng)域重點關(guān)注的方向之一。傳動系統(tǒng)作為直升機(jī)三大關(guān)鍵動部件（傳動系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)、旋翼）之一，其主要作用是將發(fā)動機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速通過一定比例傳遞給主旋翼和尾槳，并承受主旋翼和尾槳的氣動載荷。傳動系統(tǒng)由主減速器、中間減速器、尾減速器及傳動軸系組成。其中，減速器的潤滑方式通常為壓力噴油潤滑和飛濺油潤滑，以上兩種潤滑方式對減速器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計要求高，油池底部的潤滑油增加了減速器的質(zhì)量，若減速器采用脂潤滑設(shè)計，能確保在不降低可靠性的前提下適當(dāng)減輕質(zhì)量，且顯著提升傳動系統(tǒng)的抗彈擊性能力和直升機(jī)的生存能力。開展脂潤滑減速器設(shè)計與驗證技術(shù)，有助于快速提升我國在脂潤滑減速器核心技術(shù)與自主創(chuàng)新能力方面的水平，進(jìn)一步提升直升機(jī)生存力。脂潤滑減速器發(fā)展現(xiàn)狀由于脂潤滑減速器抗彈擊能力強，已在AH-64“阿帕奇”、A-129“貓鼬”等成熟機(jī)型上得到應(yīng)用。應(yīng)用脂潤滑減速器的AH-64直升機(jī)AH-64直升機(jī)具備較強的攻擊能力、抗彈擊能力及生存力，該機(jī)型配裝一套較為先進(jìn)的單旋翼傳動系統(tǒng)，12.7mm或23mm子彈擊中該系統(tǒng)關(guān)鍵動部件后仍能繼續(xù)工作1h，這主要得益于AH-64直升機(jī)的中間減速器、尾減速器均采用脂潤滑結(jié)構(gòu)，選用MCG-68-83（MIL-G-83363（USAF））潤滑脂。其中，中間減速器安裝在尾水平梁底座上，將水平軸的功率傳遞到尾斜軸，輸入端布置一個冷卻風(fēng)扇以利于中間減速器、尾減速器散熱，輸出端通過柔性聯(lián)軸片與尾斜軸連接；尾減速器安裝在尾斜梁底座上，將尾斜軸的功率傳遞到尾槳。中間減速器、尾減速器均配裝溫度傳感器、速度傳感器，分別用以監(jiān)控減速器內(nèi)部溫度及振動限制值，因無須滑油供應(yīng)系統(tǒng)，脂潤滑減速器有效地降低了成本和減輕了質(zhì)量，提高了可靠性。AH-64直升機(jī)使用的脂潤滑尾減速器

AH-64直升機(jī)使用的脂潤滑中間減速器美國南卡羅來納州大學(xué)以AH-64直升機(jī)的脂潤滑減速器為平臺，針對中間減速器產(chǎn)生無法解釋的過熱、尾減速器輸出密封泄漏、中間減速器通氣孔噴脂等現(xiàn)象，開展了一系列探索性研究試驗。試驗結(jié)果表明：潤滑脂在工作過程中不能始終保持半固體黏度，會分離為固體、液體兩種狀態(tài)；減速器的振動與其內(nèi)部溫度息息相關(guān)，而溫度對潤滑脂的黏度有一定影響，因此潤滑脂黏度的改變將直接影響減速器振動信號；通過開展兩項試驗探索通氣孔噴脂的特征及原因，因油脂特性迅速改變，導(dǎo)致氣穴和泡沫的產(chǎn)生改變了動態(tài)特性而造成油脂黏度減少。意大利萊奧納多公司研制的一種全天候輕型反坦克武裝直升機(jī)A-129，是歐洲第一型武裝直升機(jī)，具有抗彈擊、抗墜毀、紅外抑制等戰(zhàn)場生存能力。中間減速器、尾減速器均采用脂潤滑結(jié)構(gòu)，選用SYNFechNS-4405-FG綿蘭脂，減速器上各關(guān)鍵潤滑點均設(shè)計有供潤滑脂進(jìn)入和儲存的空間，以保證在機(jī)匣遭遇彈擊損傷時潤滑脂不會完全漏光，通過試驗證明減速器具備安全工作45min的能力。國內(nèi)鮮見關(guān)于采掘、運輸機(jī)械用低速傳動脂潤滑減速器的報道，主要是針對潤滑脂的性能及開放式脂潤滑齒輪、軸承、花鍵的研究。例如，中國石油化工有限公司王丹等對開式齒輪潤滑脂相關(guān)設(shè)計因素、主要性能評價方法等方面開展研究，得出了一套根據(jù)不同工況、潤滑方式的開式齒輪潤滑脂選取方法；太原理工大學(xué)李新東等對工作環(huán)境較惡劣條件下的半流體潤滑脂減速器開展了研究，該類減速器的齒輪副多數(shù)屬于低速重載傳動，工作中起動頻繁，減速器的潤滑油泄漏比較嚴(yán)重，引起運動副潤滑不良，致使減速器損壞。直升機(jī)脂潤滑減速器與其他領(lǐng)域的小型低速脂潤滑減速器在技術(shù)上有一定的通用性，二者所面臨的挑戰(zhàn)和困難也類似，但直升機(jī)脂潤滑減速器由于使用工況及技術(shù)要求更高，導(dǎo)致發(fā)展速度更為緩慢。目前，脂潤滑結(jié)構(gòu)在直升機(jī)傳動系統(tǒng)上主要應(yīng)用于軸承支座，并對中間減速器、尾減速器內(nèi)部的脂潤滑軸承和花鍵進(jìn)行了設(shè)計及試驗驗證，而脂潤滑結(jié)構(gòu)的中間減速器、尾減速器研究仍停留在概念探索階段。直升機(jī)脂潤滑減速器技術(shù)特點

與傳統(tǒng)的直升機(jī)油潤滑減速器相比，脂潤滑減速器具有以下幾種技術(shù)特點。一是抗彈擊能力強。傳統(tǒng)的油潤滑減速器在受到彈擊后滑油易流失，潤滑脂由于其半固半液的膏體狀態(tài)而具有使用方便、易于保持在滑動表面上、不易流失與泄漏、溫度范圍比油潤滑廣、能長期保持穩(wěn)定潤滑的特性，可大幅提升減速器的抗彈擊能力。二是內(nèi)部結(jié)構(gòu)較簡單。為有效潤滑齒輪、軸承等零件，油潤滑減速器的機(jī)匣、端蓋等殼體內(nèi)部設(shè)計有復(fù)雜的油路、油兜等集油結(jié)構(gòu)。脂潤滑減速器因潤滑脂易于附著，在常溫下可附著于垂直表面不流失，因此內(nèi)部無須設(shè)計復(fù)雜的通油、集油結(jié)構(gòu)。三是有利于減輕質(zhì)量。油潤滑減速器為儲油其機(jī)匣底部設(shè)置了大油池，工作時要加入定量的滑油，尤其對于壓力噴油潤滑減速器另需安裝一套獨立的潤滑系統(tǒng)，大大增加了減速器的質(zhì)量。潤滑脂因具有潤滑油所不可替代的黏附性、剪切和離心穩(wěn)定性、抗磨損性等特點，相比于滑油可減少用量以達(dá)到潤滑效果，且機(jī)匣底部無須設(shè)計大油池以減輕質(zhì)量。四是密封性強。脂潤滑減速器的潤滑方式與密封結(jié)構(gòu)簡單，能有效封住污染物和灰塵，防銹性能與熱氧化安定性能優(yōu)良。直升機(jī)脂潤滑減速器關(guān)鍵技術(shù)

脂潤滑減速器雖具備一定的技術(shù)優(yōu)勢，但存在潤滑脂不易更換、流變特性及摩擦力矩較潤滑油大等特點，導(dǎo)致脂潤滑減速器研制中存在維護(hù)性較差、散熱能力較弱等技術(shù)難點。要實現(xiàn)脂潤滑減速器在直升機(jī)傳動系統(tǒng)上的應(yīng)用，需著力對以下關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析研究。摩擦性能及流變特性分析技術(shù)潤滑脂是由一種或多種稠化劑分散在一種或多種液體潤滑劑中得到的介于半流體到固體之間的具有非牛頓流體特征的一類潤滑劑。與傳統(tǒng)油潤滑減速器相比，潤滑脂運動的特性復(fù)雜，散熱能力低。不同的溫度、轉(zhuǎn)速、載荷以及流變模型的選擇，對潤滑脂摩擦性能及流變特性有影響。溫度升高將導(dǎo)致潤滑脂的油膜穩(wěn)定性降低，進(jìn)而導(dǎo)致表觀黏度下降，摩擦表面更加粗糙，摩擦系數(shù)增大；轉(zhuǎn)速增大，油脂表觀黏度減小，承載能力變?nèi)?，油膜厚度變薄，摩擦磨損能力變?nèi)醯取Ｒ虼?，潤滑脂流變模型的選擇、轉(zhuǎn)速因素分析、溫度因素分析、載荷因素分析，是開展?jié)櫥Σ列阅芗傲髯冃阅芊治龅闹匾芯績?nèi)容。齒輪及軸承熱平衡分析技術(shù)直升機(jī)減速器是一個在重載荷條件下高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械部件，高速旋轉(zhuǎn)的齒輪箱里齒輪帶動潤滑油/潤滑脂的流動屬于固定運動剛體與流體的相互作用問題，在減速器熱平衡問題中，潤滑脂和空氣是實現(xiàn)齒輪、軸承發(fā)熱量傳導(dǎo)并散發(fā)的核心介質(zhì)。減速器溫度場的熱平衡分析涉及到了摩擦學(xué)、傳熱學(xué)（流體傳熱、固體傳熱）、非線性流體力學(xué)等多個研究領(lǐng)域，是一個綜合性較強的研究問題。與傳統(tǒng)油潤滑減速器相比，脂潤滑減速器由于齒輪和軸承承載較大、發(fā)熱量大，在實際運轉(zhuǎn)過程中減速器內(nèi)部溫度高于潤滑脂工作溫度限制值，導(dǎo)致減速器內(nèi)部熱膨脹而出現(xiàn)通氣孔噴脂、輸出密封漏脂等現(xiàn)象?；跐櫥Σ列阅芗傲髯兲匦?，進(jìn)行脂潤滑齒輪和軸承發(fā)熱量和熱平衡分析、減速器潤滑脂的非線性動力學(xué)建模與分析、計算流體力學(xué)的熱平衡建模與分析，以獲得在不同工況下脂潤滑齒輪和軸承表面的溫度場，是脂潤滑齒輪及軸承熱平衡分析的重要目標(biāo)。結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)脂潤滑減速器比傳統(tǒng)的油潤滑減速器在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面較為簡單，體現(xiàn)在機(jī)匣和端蓋上無須過多地考慮油路、油兜設(shè)計。但由于直升機(jī)飛行運動及減速器結(jié)構(gòu)限制的特殊性，對減速器的潤滑要求高，潤滑方案及機(jī)匣設(shè)計存在一定難度。需根據(jù)減速器熱平衡仿真分析結(jié)果，考慮脂潤滑的特點及潤滑脂潤滑的特殊性，開展脂潤滑減速器散熱結(jié)構(gòu)、監(jiān)控結(jié)構(gòu)、潤滑結(jié)構(gòu)與維護(hù)方案設(shè)計；結(jié)合減速器內(nèi)部齒輪齒面運動及接觸應(yīng)力分析，開展脂潤滑齒輪的齒面設(shè)計；考慮軸承載荷、轉(zhuǎn)速等工況要求，開展基于脂潤滑的軸承磨擦功耗計算分析技術(shù)、軸承材料匹配設(shè)計；開展密封的選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳熱特性分析及動態(tài)特性分析?？煽啃耘c維護(hù)性設(shè)計技術(shù)直升機(jī)油潤滑減速器通常在油池底部安裝有金屬屑磁性探測器，可在飛行過程中探測因減速器內(nèi)的損壞或過度磨損所造成的鐵磁顆粒出現(xiàn)，并及時發(fā)出信號?？紤]到潤滑脂黏度大，不易使鐵磁顆粒流動等因素，脂潤滑減速器不適合安裝金屬屑磁性探測器，減速器內(nèi)部若出現(xiàn)齒輪及軸承的剝落、斷裂等故障將無法監(jiān)控?，F(xiàn)有脂潤滑減速器是通過安裝溫度及振動傳感器或選用一套故障檢測系統(tǒng)以解決此類問題。因此，如何解決對減速器內(nèi)部零件的監(jiān)控是提升減速器可靠性設(shè)計的難點。此外，油潤滑減速器安裝有泄油口，考慮到潤滑脂的流動特性，在脂潤滑減速機(jī)匣上應(yīng)合理地布置排脂口，并逐步延長注脂周期。開展減速器振動和溫